CN112864622B - 一种基于弧形阵列天线的波束方向的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弧形阵列天线的波束方向的控制方法及装置，其中方法包括如下步骤：根据目标位置以及弧形阵列天线所对应的圆心确定第一方向；基于所述第一方向控制弧形阵列天线中的与所述第一方向对应的第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元；其中第一天线阵元组中的相邻两个天线阵元之间间隔距离相同；基于所述第一天线阵元组的合成波束的初始方向以及目标位置确定合成波束的目标方向；基于所述合成波束的目标方向确定各所述天线阵元的辐射波束的目标辐射方向；将各所述天线阵元的辐射波束的辐射方向调整至所述目标辐射方向，以控制由各所述天线阵元的辐射波束合成的波束方向为所述目标方向。

Description

一种基于弧形阵列天线的波束方向的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及相控阵雷达天线技术领域，特别涉及一种基于弧形阵列天线的波束方向的控制方法及装置。

背景技术

合成孔径雷达距离向域的分辨率可以通过增加发射脉冲的带宽获得，高分辨率的限制表现在方位向域。随着研究人员对合成孔径理解的深入，逐渐认识到增加在方位向上的合成孔径长度可以拓宽方位向上的频谱，进而可以获得更高的分辨率。弧形阵列天线的特殊的合成孔径使得其在距离向和方位向上的频谱范围拓展较宽，从而使得在距离向和方位向的分辨率得到提高，围绕目标区域进行360°观测角范围观测，能够获得全视角的目标特征。根据目标区域本身的空间分辨与空间频谱的对应关系，提高目标分辨率需要提高其空间频谱的宽度。弧形阵列天线采用特殊的结构和波束合成方法获得目标区域的雷达信号，在实现方式上较直线阵和平面阵列能更大程度获得距离向和方位向的空间频谱宽度，从而也获得了两个方向上的高分辨率。

弧形阵列天线中每一个天线阵元的相移值，除了与要求的波束指向最大值

θ₀有关之外，还与每一个阵元在弧形阵面上所处的空间位置坐标(x_i，y_i，z_i)有关，需要单独计算每一个阵元的波束控制数码，宽带信号情况下，需要时间延迟补偿。各个阵元之间的相位关系与线阵和平面阵不同，不存在简单的线性关系，每一个阵元其波束控制信号需要单独计算。由于弧形阵列天线的天线阵元排布在弧形曲面上，故而其方向图形状即使都相同，但由于空间位置差别使得最大值指向会在不同方向上，所以要想得到阵列的综合方向图最大值方向为

θ₀，各阵元在此方向上发射与接收信号的幅度将不相等，因此阵元方向图因子

不能作为公因子直接应用于阵列方向图函数中。为了满足一定的天线副瓣电平及自适应波瓣置零等要求，应该使

满足一定的天线口径加权函数的要求，即要求幅度加权系数a_0i能随着弧形阵列天线中辐射部分的口径变化和天线波束指向的最大值变化而相应地变化，因此会增加弧形阵列天线波束控制系统的运算量，故弧形阵列天线的波束方向的控制较为复杂、不够灵活。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于弧形阵列天线的波束方向的控制方法及装置，用于解决现有技术中弧形阵列天线波束方向控制较为复杂的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例采用了如下技术方案：一种基于弧形阵列天线的波束方向的控制方法，包括如下步骤：

根据目标位置以及弧形阵列天线所对应的圆心确定第一方向；

基于所述第一方向控制弧形阵列天线中的与所述第一方向对应的第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元；其中第一天线阵元组中的相邻两个天线阵元之间间隔距离相同；

基于所述第一天线阵元组的合成波束的初始方向以及目标位置确定合成波束的目标方向；

基于所述合成波束的目标方向确定各所述天线阵元的辐射波束的目标辐射方向；

将各所述天线阵元的辐射波束的辐射方向调整至所述目标辐射方向，以控制由各所述天线阵元的辐射波束合成的波束方向为所述目标方向。

可选的，所述方法还包括：

按照同一天线阵元组中的相邻两个天线阵元之间间隔距离相等的原则对弧形阵列天线中的各天线阵元进行分组，获得若干天线阵元组；

确定工作信号频率为第一信号频率下的各天线阵元组的合成波束方向，以将所述合成波束方向作为合成波束的初始方向；

基于所述各天线阵元组的初始合成波束方向，获得与各天线阵元组对应的波束方向范围。

可选的，所述基于所述第一方向控制弧形阵列天线中的与所述第一方向对应的第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元，具体包括：

将所述第一方向与各所述天线阵元组的合成波束方向范围进行比较，确定第一方向位于的合成波束方向范围；

根据确定的合成波束方向范围确定与该合成波束方向范围对应的天线阵元组为第一天线阵元组；

控制所述第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元。

可选的，所述基于所述合成波束的目标方向确定各所述天线阵元的辐射波束的目标辐射方向；具体包括：

将所述第一天线阵元组的合成波束的初始方向作为零点波束方向；

根据所述零点波束方向以及所述合成波束的目标方向确定合成波束偏移角度；

基于所述合成波束偏移角度确定第一天线阵元组中的各天线阵元的辐射波束的偏移角度；

基于所述辐射波束的偏移角度确定辐射波束的目标辐射方向。

可选的，所述第一天线阵元组中的各天线阵元分别对应设置有移相器；

所述将各所述天线阵元的辐射波束的辐射方向调整至所述目标辐射方向，以控制由各所述天线阵元的辐射波束合成的波束方向为所述目标方向，具体包括：

基于所述零点波束方向确定所述第一天线阵元组中各天线阵元所对应的圆心角；

基于各所述天线阵元的目标辐射方向、各所述天线阵元所对应的圆心角、第一天线阵元组中相邻两个天线阵元之间的传输线距离、弧形阵列天线的孔径角、弧形阵列天线的天线阵元总数以及弧形阵列天线的天线阵元之间的圆弧间距，利用第一计算公式和第二计算公式计算获得第一天线阵元组中各天线阵元对应的目标信号频率；

利用与各天线阵元对应的移相器根据所述目标信号频率对初始信号频率进行调整，以输出所述目标信号频率给对应的天线阵元，以使各天线阵元的辐射波束的合成方向为所述目标方向。

可选的，所述第一计算公式为：

所述第二计算公式为：f＝c/λ；

其中，γ_i为第i个天线阵元的目标辐射方向；

θ_i为第i个天线阵元对应的圆周角；

为弧形阵列上阵元之间的圆弧间距；

M为阵元总数；

为弧形阵列天线的孔径角；

λ为信号波长；

λ_g为波长；

l为两个天线阵元间的传输线长度；

b为正整数；

f为信号频率；

c为光速。

可选的，所述方法还包括，确定传输线类型；

当确定所述传输线的类型为非色散型传输线时，所述λ_g＝λ；其中λ为信号波长；

当确定所述传输线的类型为波导类型的传输线时，

其中，a为波导的宽边尺寸；

λ_g为波导的导内波长；

λ为信号波长。

为解决上述问题，本发明提供一种基于弧形阵列天线的波束方向的控制装置，包括：

第一确定模块，用于根据目标位置以及弧形阵列天线所对应的圆心确定第一方向；

第一控制模块，用于基于所述第一方向控制弧形阵列天线中的与所述第一方向对应的第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元；其中第一天线阵元组中的相邻两个天线阵元之间间隔距离相同；

第二确定模块，用于基于所述第一天线阵元组的合成波束的初始方向以及目标位置确定合成波束的目标方向；

第三确定模块，用于基于所述合成波束的目标方向确定各所述天线阵元的辐射波束的目标辐射方向；

调整模块，用于将各所述天线阵元的辐射波束的辐射方向调整至所述目标辐射方向，以控制由各所述天线阵元的辐射波束合成的波束方向为所述目标方向。

本发明实施例的有益效果在于：通过根据第一方向来确定相应的一组天线阵元工作，这样可以实现天线波束在大的方位上的转换，然后再通过根据目标方向调整各天线阵元的辐射波束方向，就能实现在大方位下的小角度范围内的扫描，由此能全方位的目标检测，弧形阵列天线波束指向更加灵活、且控制过程较为简单。

附图说明

图1为本发明实施例基于弧形阵列天线的波束方向的控制方法的流程图；

图2为本发明又一实施例基于弧形阵列天线的波束方向的控制方法的流程图；

图3为本发明另一实施基于弧形阵列天线的波束方向的控制装置结构框图；

图4为本发明实施例弧形阵列天线中天线阵元的排布示意图；

图5为本发明实施例基于弧形阵列天线波束方向的控制系统的结构示意图；

图6为本发明实施例弧形阵列天线中天线阵元的排布示意图。

具体实施方式

此处参考附图描述本申请的各种方案以及特征。

应理解的是，可以对此处申请的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本申请的范围和精神内的其他修改。

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且与上面给出的对本申请的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本申请的原理。

通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本申请的这些和其它特性将会变得显而易见。

还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本申请进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本申请的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。

当结合附图时，鉴于以下详细说明，本申请的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。

此后参照附图描述本申请的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本申请的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本申请模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本申请。

本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本申请的相同或不同实施例中的一个或多个。

本发明一实施例提供一种基于弧形阵列天线的波束方向的控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S101，根据目标位置以及弧形阵列天线所对应的圆心确定第一方向；

本步骤中，如图2所示，当确定目标位置A后，就可以确定目标位置与弧形阵列的连线方向为第一方向；

步骤S102，基于所述第一方向控制弧形阵列天线中的与所述第一方向对应的第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元；其中第一天线阵元组中的相邻两个天线阵元之间间隔距离相同；

本步骤中，在确定选择与第一方向相应的天线阵元组之前，需要按照同一天线阵元组中的相邻两个天线阵元之间间隔距离相等的原则对弧形阵列天线中的各天线阵元进行分组，获得若干天线阵元组，这样当同一组中各天线阵元的工作信号频率相同时，该天线阵元组的合成波束方向即为圆心和天线阵元组所对应的圆弧的中心的连线方向，即该方向为合成波束的初始方向，由此就可以获得每个天线阵元组的合成波束的初始方向。在具体选择天线阵元组时，就可以将第一方向与各天线阵元组的合成波束的初始方向进行比较，第一方向靠近哪个初始方向，就将该初始方向对应的天线阵元组作为第一天线阵元组，这样通过选择相应的天线阵元组就可以实现合成波束的指向在较大的角度(方向)上变化的控制。

步骤S103，基于所述第一天线阵元组的合成波束的初始方向以及目标位置确定合成波束的目标方向；

本步骤中，在具体实施过程中，可以将所述第一天线阵元组的合成波束的初始方向作为零点波束方向(如图4所示的0#波束指向)；根据所述零点波束方向以及所述合成波束的目标方向确定合成波束偏移角度α，以此来确定合成波束的目标方向。

步骤S104，基于所述合成波束的目标方向确定各所述天线阵元的辐射波束的目标辐射方向；

本步骤中，在具体实施过程中，可以基于所述合成波束偏移角度确定第一天线阵元组中的各天线阵元的辐射波束的偏移角度；然后基于所述辐射波束的偏移角度确定辐射波束的目标辐射方向。

步骤S105，将各所述天线阵元的辐射波束的辐射方向调整至所述目标辐射方向，以控制由各所述天线阵元的辐射波束合成的波束方向为所述目标方向。

本步骤中每个天线阵元对应设置有移相器。在通过选择相应的天线阵元组实现天合成线波束在大的方位上的转换后，可以通过利用移相器来在该方位上进行小角度范围内的扫描，以此来实现灵活的控制合成波束的方向。

本发明又一实施例提供一种基于弧形阵列天线的波束方向的控制方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤S201，按照同一天线阵元组中的相邻两个天线阵元之间间隔距离相等的原则对弧形阵列天线中的各天线阵元进行分组，获得若干天线阵元组；确定工作信号频率为第一信号频率下的各天线阵元组的合成波束方向，以将所述合成波束方向作为合成波束的初始方向；基于所述各天线阵元组的初始合成波束方向，获得与各天线阵元组对应的波束方向范围。

本步骤中，在具体实施过程中，在确定了初始方向后，由于相邻的两个天线阵元组合成的波束的初始方向之间会存在一定的转动间隔，即弧形阵列天线波束合成指向的变动大小，因此可以根据转动间隔以及波束的初始方向来确定一个范围。其中，各天线阵元组中的天线阵元的个数可以根据实际需要来进行确定，天线阵元个数不同，那么合成得到的波束宽度也不相同，天线阵元组中天阵元个数满足：天线阵元与期望指向(合成波束目标方向)间的偏差需要小于单个天线阵元3dB波束宽度的一半，将满足这个要求的阵元选通个数取整即可确定天线阵元组中的天线阵元的个数。

步骤S202，根据目标位置以及弧形阵列天线所对应的圆心确定第一方向；

步骤S203，将所述第一方向与各所述天线阵元组的合成波束方向范围进行比较，确定第一方向位于的合成波束方向范围；

根据确定的合成波束方向范围确定与该合成波束方向范围对应的天线阵元组为第一天线阵元组；

控制所述第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元。

本步骤中，弧形阵列天线的各所述天线阵元组分别对应设置有矩阵开关，如图5所示，各天线阵元组中的各天线阵元分别与天线阵元组对应的矩阵开关的输出端电气连接，以利用所述矩阵开关控制天线阵元组的各天线阵元导通。具体的各矩阵开关均与一定向耦合器通信连接，定向耦合器输出控制信号以控制相应的矩阵开关工作，以利用该矩阵开关控制与该矩阵开关对应的一组天线阵元导通。

步骤S204，基于所述第一天线阵元组的合成波束的初始方向以及目标位置确定合成波束的目标方向；

步骤S205，将所述第一天线阵元组的合成波束的初始方向作为零点波束方向；根据所述零点波束方向以及所述合成波束的目标方向确定合成波束偏移角度；基于所述合成波束偏移角度确定第一天线阵元组中的各天线阵元的辐射波束的偏移角度；基于所述辐射波束的偏移角度确定辐射波束的目标辐射方向。

步骤S206，将各所述天线阵元的辐射波束的辐射方向调整至所述目标辐射方向，以控制由各所述天线阵元的辐射波束合成的波束方向为所述目标方向。

本步骤中，在具体实施过程中每个天线阵元对应设置有移相器。然后基于所述零点波束方向确定所述第一天线阵元组中各天线阵元所对应的圆心角；基于各所述天线阵元的目标辐射方向、各所述天线阵元所对应的圆心角、第一天线阵元组中相邻两个天线阵元之间的传输线距离、弧形阵列天线的孔径角、弧形阵列天线的天线阵元总数以及弧形阵列天线的天线阵元之间的圆弧间距，利用第一计算公式和第二计算公式计算获得第一天线阵元组中各天线阵元对应的目标信号频率；最后利用与各天线阵元对应的移相器根据所述目标信号频率对初始信号频率进行调整，以输出所述目标信号频率给对应的天线阵元，以使各天线阵元的辐射波束的合成方向为所述目标方向。其中第一计算公式为：

其中，γ_i为第i个天线阵元的目标辐射方向，θ_i为第i个天线阵元对应的圆周角；d_c为弧形阵列上阵元之间的圆弧间距；M为阵元总数；

为弧形阵列天线的孔径角；λ为信号波长；λ_g为波长；l为两个天线阵元间的传输线长度；b为正整数。第二计算公式为f＝c/λ；f为信号频率；c为光速。其中λ_g需要根据传输线类型来确定；当确定所述传输线的类型为非色散型传输线时，所述λg＝λ；其中λ为信号波长；当确定所述传输线的类型为波导类型的传输线时，

其中，a为波导的宽边尺寸；λ_g为波导的导内波长；λ为信号波长。

本发明实施，通过根据第一方向来确定相应的一组天线阵元工作，这样可以实现天线波束合成方向在大的方位上的转换，然后再通过根据目标方向调整处于工作状态的天线阵元的信号频率，以此来实现在大方位下的小角度范围内的扫描，即实现将合成波束方向控制为目标方向，并且弧形阵列天线波束指向更加灵活、且控制过程较为简单。

本发明另一实施提供一种基于弧形阵列天线的波束方向的控制装置，包括：

第一确定模块1，用于根据目标位置以及弧形阵列天线所对应的圆心确定第一方向；

第一控制模块2，用于基于所述第一方向控制弧形阵列天线中的与所述第一方向对应的第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元；其中第一天线阵元组中的相邻两个天线阵元之间间隔距离相同；

第二确定模块3，用于基于所述第一天线阵元组的合成波束的初始方向以及目标位置确定合成波束的目标方向；

第三确定模块4，用于基于所述合成波束的目标方向确定各所述天线阵元的辐射波束的目标辐射方向；

调整模块，用于将各所述天线阵元的辐射波束的辐射方向调整至所述目标辐射方向，以控制由各所述天线阵元的辐射波束合成的波束方向为所述目标方向。

具体的本实施例中的装置还包括划分模块，划分模块用于：按照同一天线阵元组中的相邻两个天线阵元之间间隔距离相等的原则对弧形阵列天线中的各天线阵元进行分组，获得若干天线阵元组；确定工作信号频率为第一信号频率下的各天线阵元组的合成波束方向，以将所述合成波束方向作为合成波束的初始方向；基于所述各天线阵元组的初始合成波束方向，获得与各天线阵元组对应的波束方向范围。

具体的，所述第一控制模块具体用于：将所述第一方向与各所述天线阵元组的合成波束方向范围进行比较，确定第一方向位于的合成波束方向范围；

根据确定的合成波束方向范围确定与该合成波束方向范围对应的天线阵元组为第一天线阵元组；

控制所述第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元。

所述第三确定模块具体用于：将所述第一天线阵元组的合成波束的初始方向作为零点波束方向；根据所述零点波束方向以及所述合成波束的目标方向确定合成波束偏移角度；基于所述合成波束偏移角度确定第一天线阵元组中的各天线阵元的辐射波束的偏移角度；基于所述辐射波束的偏移角度确定辐射波束的目标辐射方向。

具体的，所述第一天线阵元组中的各天线阵元分别对应设置有移相器；

所述调整模块具体用于：基于所述零点波束方向确定所述第一天线阵元组中各天线阵元所对应的圆心角；

基于各所述天线阵元的目标辐射方向、各所述天线阵元所对应的圆心角、第一天线阵元组中相邻两个天线阵元之间的传输线距离、弧形阵列天线的孔径角、弧形阵列天线的天线阵元总数以及弧形阵列天线的天线阵元之间的圆弧间距，利用第一计算公式和第二计算公式计算获得第一天线阵元组中各天线阵元对应的目标信号频率；

利用与各天线阵元对应的移相器根据所述目标信号频率对初始信号频率进行调整，以输出所述目标信号频率给对应的天线阵元，以使各天线阵元的辐射波束的合成方向为所述目标方向。

本实施例中，第一计算公式为：

其中，γ_i为第i个天线阵元的目标辐射方向，θ_i为第i个天线阵元对应的圆周角；d_c为弧形阵列上阵元之间的圆弧间距；M为阵元总数；

为弧形阵列天线的孔径角；λ为信号波长；λ_g为波长；l为两个天线阵元间的传输线长度；b为正整数。第二计算公式为f＝c/λ；f为信号频率；c为光速。其中λ_g需要根据传输线类型来确定；当确定所述传输线的类型为非色散型传输线时，所述λg＝λ；其中λ为信号波长；当确定所述传输线的类型为波导类型的传输线时，

其中，a为波导的宽边尺寸；λ_g为波导的导内波长；λ为信号波长。

本发明另一实施提供一种基于弧形阵列天线的波束方向的控制系统，如图5所示，包括弧形阵列天线、若干矩阵开关定向耦合器以及串联馈电网络，该系统在实现波束方向控制的过程如下：

步骤S1，弧形阵列天线控制信号经由串联馈电网络到定向耦合器即功分网络后分给a、b、c、d…n个端口，每一个端口又连接一个1/m射频矩阵开关。a端口的信号可以在控制信号作用下，经射频矩阵开关分别接通至第1、5…(m₁+M/m)号天线阵元，b端口的信号经射频矩阵开关选通，分别接通至第2、6…(m₂+M/m)号天线阵元，c端口的信号可以在控制信号作用下，经射频矩阵开关分别接通至第3、7…(m₃+M/m)号天线阵元，d端口的信号经射频矩阵开关选通，分别接通至第4、8…(m₄+M/m)号天线阵元；

步骤S2：通过射频矩阵开关选通工作阵元，工作过程中弧形阵列天线内包括m个天线阵元形成天线波束，因此，每次均有M/n个即m个天线阵元同时工作，即同时辐射或者接收信号。弧形阵列天线方向图将由这m个相邻天线阵元所决定，天线方向图方位向上的大角度扫描，由相应的选通信号控制射频矩阵开关来实现。弧形阵列天线阵元总数为M，满足关系：

M＝m·n(式1)

(式1)中，n为矩阵开关数目，也是功率分配器的输出路数，m是弧形阵列天线中工作的天线阵元个数，并且n＝2^b，b取正整数；m也是每一矩阵开关的输出路数，即1/m矩阵开关的输出端口数目。为了避免最大工作弧形阵列的宽度不超过180°，所以要在实际应用时需要注意m、n数值的选取；

步骤S3：射频矩阵开关用来选通弧形天线阵列上的工作天线阵元，组成有效天线孔径，实现弧形天线工作阵列的波束在方位向上转动，从而实现天线波束的方位向大角度扫描。弧形阵列天线波束指向的变动大小即天线波束指向转动间隔，与弧形阵列天线阵元总数有关，最小波束指向间隔，即波束跃度表示为：

(式2)中，

为弧形阵列天线的孔径角，表示天线沿圆弧方向布局的圆弧对应圆心角角度大小；M为阵元总数。为了降低波束跃度，需要适当增加M值，也可以在各个工作天线阵元通道中增加移相器，用来降低天线波束指向间隔，并且可修正各阵元通道的相位误差，从而降低天线副瓣电平；

步骤S4：获取弧形阵列天线单个阵元所对应的圆周角大小，由于工作的阵元组成的弧形阵列都处于相同的圆弧条件下，因此，各阵列波束形状将相同，阵列天线阵元之间的互耦影响、天线增益和波束宽度等也都不会随天线波束在方位向上大扫描角的变化而变化。如图5所示，第k个阵元对应的圆周角可表示为：

(式3)中，

为弧形阵列天线的孔径角，表示天线沿圆弧方向布局的圆弧对应圆心角角度大小；M为阵元总数；

步骤S5：获取弧形阵列天线阵元空间行程差，如图6所示，弧形阵列等效一个线性阵列，在这一等效线阵中，天线阵元是不等间隔的，中心部分阵元间距较大，两端阵元间距较小。由于各阵元方向图的最大值分别在各阵元与弧形阵列圆心的连接线上，因而在阵列波束最大值方向上各阵元的方向图本身对此等效线阵会产生幅度加权效果。当目标在α方向时，第m#阵元与第0#阵元之间的空间行程差为D_mM，由几何关系得：

D_mM＝R[sinθ_msinα+(1-cosθ_m)cosα] (式4)

(式4)中，θ_m为第m个阵元对应的圆周角；α为目标方向；R为弧形阵列天线半径，其与弧形阵列上阵元之间的圆弧间距d_c及阵元总数M之间的关系为：

为弧形阵列天线的孔径角。

步骤S6：获取弧形阵列天线阵元空间相位差，由(式4)、(式5)可得，当目标在α方向时，第m#阵元与第0#阵元之间的空间相位差可表示为：

其中，

(式6)中，θ_m为第m个阵元对应的圆周角；α为目标方向；d_c为弧形阵列上阵元之间的圆弧间距；M为阵元总数；

为弧形阵列天线的孔径角；λ为信号波长；

因此弧形阵列中第i#阵元(i＝0,1,…n)与第0#阵元之间的空间相位差就可表示为：

弧形阵列天线等效天线阵形成的天线波束的最大值位于其阵列所在弧形曲面圆心与0#阵元之间的连接线方向上，所以将这一波束可定义为第0#波束；

步骤S7：选择串联馈电馈相方式，获取弧形阵列天线各阵元通道中移相器的相移值，将移相器安放在串联馈电网络之中，相邻两节点之间的相移值Δφ_i0包括移相器提供的相移值Δφ_ip和传输线相移值Δφ_il，Δφ_i0由弧形阵列天线波束指向来决定，则各移相器相移值可以表示为：

(式9)中，θ_i为第i个阵元对应的圆周角；α为弧形阵列天线波束指向；R为弧形阵列天线半径；λ为信号波长；

如果串联馈电传输线为非色散型传输线，则

则各移相器相移值可以表示为：

若传输线采用波导时

其中

其中l为两个天线阵元间的传输线长度；a为波导的宽边尺寸。

采用串联馈电馈相方式不仅能简化功率分配网络，而且能降低移相器需提供的相移值，移相器位数的减少能降低成本，还能使波束控制简化，如果波控驱动器能提供的控制电流(或者控制电压)足够大，则一个或者少数几个波束控制驱动器就可实现对众多串行移相器的控制；

步骤S8：当传输线为波导时，弧形阵列天线方位向上的小角度灵活快速扫描能力通过频率扫描方式的实现，如果天线阵元之间的空间相位差与由传输线产生的阵内相位差达到平衡，得到频率扫描方式的基本相位关系，可以表示为：

(式12)中，b取正整数，选取需适度。

由(式12)若设置信号频率等于中心频率f₀时，天线波束指向(O’0)线的方向即θ_i＝0得：

l＝λ_g0b (式13)

(式13)中，λ_g0为信号频率为时波导内波长，b值增加，将会使传输线长度增加，导致传输损耗增加，暂态响应也会随之变差。

当信号频率从f₀变化到f₁时，天线波束指向由θ₀扫描到θ₁时，信号带宽Δf与b值有关，可以表示为：

则信号扫描带宽Δf与b值及最大扫描角αmax的关系可以表示为：

式(15)中，λ_g0和λ_g1分别为信号频率为f₀和f₁时的波导内波长，由此可知，b值的增加，可使天线波束扫描范围所需的信号带宽Δf降低，即可降低为实现天线波束扫描所需的信号频率变化范围。

步骤S9：弧形阵列天线波束指向的改变通过改变信号频率来实现，进一步可得波长为λ时各天线阵元的波束最大值指向为γ时的表达式为：

θ_i为第i个阵元对应的圆周角；d_c为弧形阵列上阵元之间的圆弧间距；M为阵元总数；

为弧形阵列天线的孔径角；λ为信号波长；λ_g为波导的导内波长；l为两个天线阵元间的传输线长度；

通过(式17)即可计算出天线波束最大值指向为γ_i时的信号波长λ。亦即计算出信号频率f(f＝c/λ)，因此相应的改变信号频率可实现对γ_i的调整。以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于弧形阵列天线的波束方向的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据目标位置以及弧形阵列天线所对应的圆心确定第一方向；

基于所述第一方向控制弧形阵列天线中的与所述第一方向对应的第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元；其中第一天线阵元组中的相邻两个天线阵元之间间隔距离相同；

所述基于所述第一方向控制弧形阵列天线中的与所述第一方向对应的第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元，具体包括：

将所述第一方向与各所述天线阵元组的合成波束方向范围进行比较，确定第一方向位于的合成波束方向范围；

根据确定的合成波束方向范围确定与该合成波束方向范围对应的天线阵元组为第一天线阵元组；

控制所述第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元；

基于所述第一天线阵元组的合成波束的初始方向以及目标位置确定合成波束的目标方向；

基于所述合成波束的目标方向确定各所述天线阵元的辐射波束的目标辐射方向；

将各所述天线阵元的辐射波束的辐射方向调整至所述目标辐射方向，以控制由各所述天线阵元的辐射波束合成的波束方向为所述目标方向。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

按照同一天线阵元组中的相邻两个天线阵元之间间隔距离相等的原则对弧形阵列天线中的各天线阵元进行分组，获得若干天线阵元组；

确定工作信号频率为第一信号频率下的各天线阵元组的合成波束方向，以将所述合成波束方向作为合成波束的初始方向；

基于所述各天线阵元组的初始合成波束方向，获得与各天线阵元组对应的波束方向范围。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述合成波束的目标方向确定各所述天线阵元的辐射波束的目标辐射方向；具体包括：

将所述第一天线阵元组的合成波束的初始方向作为零点波束方向；

根据所述零点波束方向以及所述合成波束的目标方向确定合成波束偏移角度；

基于所述合成波束偏移角度确定第一天线阵元组中的各天线阵元的辐射波束的偏移角度；

基于所述辐射波束的偏移角度确定辐射波束的目标辐射方向。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一天线阵元组中的各天线阵元分别对应设置有移相器；

所述将各所述天线阵元的辐射波束的辐射方向调整至所述目标辐射方向，以控制由各所述天线阵元的辐射波束合成的波束方向为所述目标方向，具体包括：

基于所述零点波束方向确定所述第一天线阵元组中各天线阵元所对应的圆心角；

基于各所述天线阵元的目标辐射方向、各所述天线阵元所对应的圆心角、第一天线阵元组中相邻两个天线阵元之间的传输线距离、弧形阵列天线的孔径角、弧形阵列天线的天线阵元总数以及弧形阵列天线的天线阵元之间的圆弧间距，利用第一计算公式和第二计算公式计算获得第一天线阵元组中各天线阵元对应的目标信号频率；

利用与各天线阵元对应的移相器根据所述目标信号频率对初始信号频率进行调整，以输出所述目标信号频率给对应的天线阵元，以使各天线阵元的辐射波束的合成方向为所述目标方向。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一计算公式为：

所述第二计算公式为：f＝c/λ；

其中，γ_i为第i个天线阵元的目标辐射方向；

θ_i为第i个天线阵元对应的圆周角；

d_c为弧形阵列上阵元之间的圆弧间距；

M为阵元总数；

为弧形阵列天线的孔径角；

λ为信号波长；

λ_g为波长；

l为两个天线阵元间的传输线长度；

b为正整数；

f为信号频率；

c为光速。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，确定传输线类型；

当确定所述传输线的类型为非色散型传输线时，所述λ_g＝λ；其中λ为信号波长；

当确定所述传输线的类型为波导类型的传输线时，

其中，a为波导的宽边尺寸；

λ_g为波导的导内波长；

λ为信号波长。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述弧形阵列天线的各所述天线阵元组分别对应设置有矩阵开关，各天线阵元组中的各天线阵元分别与天线阵元组对应的矩阵开关的输出端电气连接，以利用所述矩阵开关控制天线阵元组的各天线阵元导通。

8.一种基于弧形阵列天线的波束方向的控制装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于根据目标位置以及弧形阵列天线所对应的圆心确定第一方向；

第一控制模块，用于基于所述第一方向控制弧形阵列天线中的与所述第一方向对应的第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元；其中第一天线阵元组中的相邻两个天线阵元之间间隔距离相同；

所述基于所述第一方向控制弧形阵列天线中的与所述第一方向对应的第一天线阵元组中的各天线阵元导通作为工作天线阵元，具体包括：

将所述第一方向与各所述天线阵元组的合成波束方向范围进行比较，确定第一方向位于的合成波束方向范围；

根据确定的合成波束方向范围确定与该合成波束方向范围对应的天线阵元组为第一天线阵元组；第二确定模块，用于基于所述第一天线阵元组的合成波束的初始方向以及目标位置确定合成波束的目标方向；

第三确定模块，用于基于所述合成波束的目标方向确定各所述天线阵元的辐射波束的目标辐射方向；

调整模块，用于将各所述天线阵元的辐射波束的辐射方向调整至所述目标辐射方向，以控制由各所述天线阵元的辐射波束合成的波束方向为所述目标方向。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括划分模块，所述划分模块用于按照同一天线阵元组中的相邻两个天线阵元之间间隔距离相等的原则对弧形阵列天线中的各天线阵元进行分组，获得若干天线阵元组；

确定工作信号频率为第一信号频率下的各天线阵元组的合成波束方向，以将所述合成波束方向作为合成波束的初始方向；

基于所述各天线阵元组的初始合成波束方向，获得与各天线阵元组对应的波束方向范围。

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